多入多出(MIMO)技術

1、3.9 多入多出 (MIMO)技術學習目標 掌握多輸入多輸出系統(tǒng)（MIMO）的基本原理 掌握多輸入多輸出系統(tǒng)（MIMO）的核心技術與應用方案3.9 多入多出 (MIMO)技術 MIMO（Multiple Input-Multiple output）即多入多出技術，是無線通信領域智能天線技術的重大突破，它擴展了一維智能天線技術，具有極高的頻譜利用率，能在不增加帶寬的情況下成倍提高通信系統(tǒng)的容量，且信道可靠性大為增強，是新一代無線通信系統(tǒng)（即所謂的Beyond 3G/4G）采用的核心技術之一。目前，世界各國學者都在對MIMO的理論、性能、算法和實現(xiàn)等各方面進行著廣泛的研究，MIMO技術已成為通信技

2、術發(fā)展中最為炙手可熱的課題。 MIMO是指信號系統(tǒng)發(fā)射端和接收端，分別使用了多個發(fā)射天線和接收天線，因而該技術被稱為多發(fā)送天線和多接收天線（簡稱多入多出）技術，它可看著是分集技術的一種衍生。 在實際的通信環(huán)境中，信號往往是通過周圍物體的多次反射和散射才到達接收天線的，這被稱為徑，信號的多徑傳送會產(chǎn)生多徑干擾，從而引起信號的衰落，因而一直被認為是不利信號準確傳輸?shù)挠泻σ蛩?。克服的方法是采用分集的方法它含有“分散”和“集合”二重含義，一方面它將載有相同信息的幾路信號通過相對獨立的途徑（利用多發(fā)射天線）分散傳輸，另一方面設法將分散傳輸?shù)浇邮拯c的幾路信號最有效地收集起來（利用多接收天線），因為安排恰當

3、的多副天線提供的多個空間信道，不會全部同時受到衰落，因此有降低信號電平的衰落幅度的作用，具有優(yōu)化接收的含義。 3.9.1 MIMO3.9.1 MIMO技術原理技術原理 MIMO技術的實質(zhì)是為系統(tǒng)提供了空間復用增益和空間分集增益。 信號在傳送中遇到物體發(fā)生反射和散射，產(chǎn)生多條路徑，MIMO技術將這些路徑變?yōu)閭魉托畔⒆恿鞯摹疤摂M信道”。在接收端可用單一天線，也可用多個天線進行接收，當然每個接收天線接收到的是所有發(fā)送信號與干擾信號的疊加，MIMO的空時解碼系統(tǒng)利用數(shù)學算法拆開和恢復糾纏在一起的傳輸信號并將它們正確地識別出來。空時編碼信宿發(fā)射天線空時編碼接收天線天線陣C1(K)R1(K)CM(K)RM

4、(K)信源SI(K)圖3-37 MIMO系統(tǒng)原理 MIMO系統(tǒng)在發(fā)射端和接收端均采用多個天線和多個通道，如圖3-37所示。 傳輸信息流S（k）經(jīng)過空時編碼形成M個信息子流 ，這M個子流由M個天線發(fā)送出去，經(jīng)空間信道后由N個接收天線接收，多天線接收機能夠利用先進的空時編碼處理技術分開并解碼這些數(shù)據(jù)子流，從而實現(xiàn)最佳處理。MIMO是在收發(fā)兩端使用多個天線，每個收發(fā)天線之間對應一個MIMO子信道，在收發(fā)天線之間形成 信道矩陣H，在某一時刻t，信道矩陣如（式3-34）所示。 （式3-34） 其中H的元素是任意一對收發(fā)天線之間的增益。iC ( ),1,2,.,k iMMN1,12,1,11,22,2,2

5、1,2,.( ). .tttMtttMtttNNM NhhhhhhH thhh M個子流同時發(fā)送到信道，各發(fā)射信號占用同一個頻帶，因而并未增加帶寬。若各發(fā)射天線間的通道響應獨立，則MIMO系統(tǒng)可以創(chuàng)造多個并行空間信道。通過這些并行的信道獨立傳輸信息，必然可以提高數(shù)據(jù)傳輸速率。對于信道矩陣參數(shù)確定的MIMO信道，假定發(fā)射端總的發(fā)射功率為P，與發(fā)送天線的數(shù)量M無關；接收端的噪聲用 矩陣n表示，其元素是獨立的零均值高斯復數(shù)變量，各個接收天線的噪聲功率均為 ；為接地端平均信噪比。此時，發(fā)射信號是M維統(tǒng)計獨立，能量相同，高斯分布的復向量。發(fā)射功率平均分配到每一個天線上，則容量公式為： （式3-35）1N

6、2)det(log2HNHHMIC 固定N，令M增大，使得 ，這時可以獲得到容量的近似表達式： det代表行列式， 代表M維單位矩陣， 表示的共扼轉(zhuǎn)置。 從上式可以看出，此時的信道容量隨著天線數(shù)的增加而線性增大。即可以利用MIMO信道成倍地提高無線信道容量，在不增加帶寬和天線發(fā)射功率的情況下，頻譜利用率可以成倍地提高，充分展現(xiàn)了MIMO技術的巨大優(yōu)越性。H1NHHIM)1 (log2 NCNIHH（式3-36）3.9.2 MIMO3.9.2 MIMO技術的應用方案技術的應用方案 前面分析指出MIMO技術優(yōu)勢明顯，但對頻率選擇性衰落無能為力，而OFDM技術卻有很強的抗頻率選擇性衰落的能力。因此將

7、兩種技術有效整合，便成為最佳的實用方案，如圖3-38所示。圖中，數(shù)據(jù)進行兩次串并轉(zhuǎn)換。首先將數(shù)據(jù)分成N個并行數(shù)據(jù)流，將這N個數(shù)據(jù)流中的第n（n 1，N）個數(shù)據(jù)流進行第二次串并轉(zhuǎn)換成 L個并行數(shù)據(jù)流，分別對應L個子載波，接著對這L個并行數(shù)據(jù)流進行IFFT變換，再將信號從頻域轉(zhuǎn)換到時域，然后從第 n（n 1，N）個天線上發(fā)送出去。這樣共有NL個M-QAM（正交振幅調(diào)制）符號被發(fā)送。整個MIMO系統(tǒng)假定具有N個發(fā)送天線，M個接收天線。在接收端第m（m 1，M）個天線接收到的第l（l 1，L）個子載波的接收信號為： （l=1，.，L） （式3-37） 其中 是第l個子載波頻率上的從第n個發(fā)送天線到第m

8、個接收天線之間的信道矩陣，并且假定該信道矩陣在接收端是已知的， 是第l個子載波頻率上的從第n個發(fā)送天線發(fā)送的符號， 是第l個子載波頻率上的從第m個接收天線接收到的高斯白噪聲。這樣在接收端接收到的第l個子載波頻率上的N個符號可以通過V-BLAST算法進行解譯碼，重復進行L 次以后，NL個M-QAM符號就可以被恢復出來。, ,1Nm lm n ln lm lnrHC, ,m n lH,n lC,m l信源二進制信號映 射（M-QAM）S/P1至N12NS/P1至LS/P1至LS/P1至L12LOFDM調(diào) 制12LOFDM調(diào) 制12LOFDM調(diào) 制圖3-39 MIMO+OFDM實現(xiàn)框圖 MIMO+OFDM系統(tǒng)，